近日，北京科技大學數理學院磁電介質物理梯隊施小明博士在相場模擬設計弛豫鐵電材料微結構方面取得進展，與清華大學李敬鋒團隊合作，以共同第一作者在《Science》上發表研究成果：“Partitioning polar-slush strategy in relaxors leads to large energy-storage capability”。該研究通過獨特的設計在弛豫鐵電薄膜中引入“極性雪泥態區塊化”策略，實現了儲能密度高達 202 J/cm3的弛豫鐵電體薄膜制備，并且在一千萬次充放電循環中保持穩定。
基于弛豫鐵電材料的介電儲能技術具有儲能密度高、功率密度高、充放電速度快、使用壽命長、高溫穩定性好等優點，因此在可再生能源、電動汽車等領域具有廣泛的應用前景。然而介電儲能材料領域長期存在的難題——極化強度與擊穿強度的矛盾關系，即如何在增強材料極化的同時，確保其能夠承受更高的電場強度而不被破壞，限制了弛豫鐵電儲能密度的進一步提升，成為了介電儲能研究的前沿和關鍵。
弛豫鐵電中極性雪泥態區塊化策略及其極化、儲能特性的相場模擬
基于此，研究團隊合作構建出具有隔離極性雪泥態（Isolated polar-slush, IPS）結構的新型弛豫鐵電體（圖1）。借助高通量相場模擬，發現在Bi(Mg0.5Ti0.5)O3-SrTiO3（BMT-ST）基弛豫鐵電薄膜中通過大量 Bi摻雜可以形成極性雪泥態；進一步通過 Ti過量引起的晶界與非晶，可以形成IPS結構。通過組分優化設計，IPS結構可協同提升可逆極化強度和擊穿場強，獲得高儲能密度、效率和性能優值（儲能密度突破200 J/cm3，儲能效率達到~79%）。該結果與實驗測量性能結果趨勢高度吻合，驗證了相場模擬有效性。
此項研究，清華大學、北京理工大學和北京科技大學分別為第一、第二和第三單位。清華大學舒亮、張鑫、楊子奇和施小明為文章的共同第一作者，清華大學李敬鋒教授、澳大利亞伍倫貢大學張樹君教授和北京理工大學黃厚兵教授為文章共同通訊作者。
來源：北京科技大學
原文鏈接：https://news.ustb.edu.cn/info/1120/64005.htm
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